利用TM影像測定豐寧縣境內灤河長度及水域面積

摘 要：河流流域長度及水域面積是水資源勘察的重要內容之一，也是水域變化、洪水淹沒范圍及災后評估的重要手段，可以為河流治理提供科學決策依據。該研究選用2013年Landsat-TM影像，ERDAS環境非監督分類，GPS定位校正，計算豐寧縣境內灤河長度及水域面積。結果表明，豐寧境內的灤河水域面積為9.05 km2，境內水域長度102.84 km。與傳統方法比較，TM影像法花費人力和物力較少，時效性、動態性、客觀性和實用性強，為灤河總長度和總流域面積測定提供一種可借鑒的方法。

關鍵詞：豐寧縣 灤河 水域面積 Landsat-TM 水體提取 非監督分類

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0180-02

灤河是華北地區第二條大河，古稱濡河，唐朝末年改稱灤河。灤河發源于河北省豐寧縣西北巴彥圖古爾山麓，流經內蒙古高原、承德壩上草原和燕山山區，于遷西縣北潘家口穿過長城進入唐山市，至灤縣穿京沈鐵路出山進入平原，于樂亭縣兜網鋪注入渤海。

豐寧是灤河的發源地，利用遙感影像對灤河流域總長及區域內地表水域面積的測定未發現完整的歷史資料記載。傳統的人工測定方法需要花費較大的人力和物力，受自然和人為干擾因素影響大，時相性差，難以達到較高的精確度。利用Landsat TM遙感影像提取水體信息，有很多人做了研究，主要是單波段閾值法和多波段增強閾值法。單波段閾值法是根據影像單個波段中水體值低于或高于其他地物值，設定閾值提取水體信息，但由于水體與非水體之間的過渡區被忽略，無法提取細小水體。多波段增強閾值法被國內外廣泛應用，1996年McFeeter借鑒NDVI（歸一化植被指數），提出了“歸一化差異水體植被指數NDWI（Normalized Difference Water Index）”，但這一方法只考慮植被因素，沒有考慮土壤和建筑物的因素，所以提取植被水體仍然存在缺陷。就目前而言，水體信息的提取并沒有較為系統和典型的方法。

該研究以2013年11波段的較高空間分辨率的TM影像為主要數據源，對豐寧境內的灤河水域面積和流域長度進行提取試驗研究，并試圖為將來進行灤河流域總長度和總流域面積測定提供一種借鑒的方式方法。

1 研究方法

1.1 研究區域

該研究中的灤河流域范圍，是指外溝門鄉-四岔口鄉-蘇家店鄉-豐寧隆化縣邊界的主干流（圖1）。

1.2 TM影像的獲取及處理

采用2010年、2013年兩期8月份Landsat-TM影像（農業部全國畜牧總站），空間分辨率為30 m。為突出時效性，以2013年影像為主，2010年影像主要提供參考對照值。2013年8月的遙感影像有11個波段，2010年8月的影像有8個波段。ERDAS環境下，遙感影像處理的基本步驟是：融合波段（Layer stack）→圖像鑲嵌（Mosaic images）→坐標系統、投影轉換（Coordinate transformation，add/change projection）。

投影采用的是阿爾伯斯等積圓錐投影（Albers Equal Area Conic），坐標系統為地心坐標系（World Geodetic System of 1984，WGS84），坐標單位為m。在GPS接收機的初始設置中，定位信息基于WGS84坐標系統進行換算，顯示的經緯度值也是基于WGS84橢球體模型。

1.3 地面調查數據

2014年6月～8月，GPS定位采集了豐寧境內灤河流域110個坐標點，主要用于灤河流域流向位置校正，尤其是在遙感影像中云霧遮擋區域。

1.4 設置、切割TM影像研究區域

為準確地對灤河流域進行分類，限定目標因子，減少干擾因子，將處理好的遙感影像針對豐寧灤河流域的主干流域部分設置了AOI（感興趣區域），然后用ERDAS subset（分割）指令把AOI區域切割下來，在AOI區域內進行非監督分類。

1.5 非監督分類（Unsupervised classification）

按照像元的光譜特性進行統計分類，原始圖像的所有波段都參與分類運算，分類結果基本是各類像元大體等比例。由于人為干擾較少，分類過程的自動化程度較高。利用非監督分類的主要目的是提取計算灤河水體的區域面積值。

分類結果出來后，水體確定以影像中的牛圈子壩水庫明顯水體為特征樣本，用ERDAS的Start/Update inquire cursor工具定位標定后，在Raster Attibute Editor賦予水體類為藍色。

1.6 數據校正

用GPS對整個研究區域的拐點采集了110個坐標點，在ArcGIS環境下利用Add xy Data工具投放在遙感影像中作為校正和指示點，避免出現偏離灤河流域線路，并通過坐標指示點，結合目視解譯法剔除非水體像元，保證灤河長度和水域面積數據的準確性。

2 結果與討論

2.1 地表水域面積

該研究的水域面積是指在灤河河床可見的流動水域面積，流域長度是指灤河河床內可見流動水域長度。TM影像每個像元面積為900 m2（30×30 m），豐寧境內灤河地表水域由非監督分類計算得出該水面的像元數為10054個，折合9.05 km2。（缺少計算過程，非專業人士很難明白這組數據）。

在傳統的對水系進行目視解譯提取中，季節性河流在雨量充沛時，遙感影像表現出是有水河道的特點，可以充分利用水體的光譜特征與形態特征提取水系網，對無水河段采取形態特征和其他光譜學特征對水系提取，但目視解譯工作量大。劉建波等利用TM影像短波紅外波段（第七波段）來提取水庫水面。王國興等利用TM影像近紅外波段記性二值化，估計水體面積。單波段法雖然使用簡便，但難以消除影像中山體陰影的影響。該研究在ERDAS環境下采取了多波段非監督分類方法，自動從影像中分離出水體，通過不同波段的優勢組合，從非監督分類結果中剔除其它地物信息，突出水體信息。

2.2 河流長度

河流長度是在ArcGIS系統中進行的。在該系統當中進行距離量算的前提是數據有空間參考信息（該研究為經過投影的投影坐標）。有了空間參考之后，矢量文件每個點都有自己的X，Y坐標，進行距離量算的時候，ArcGIS就是根據這些坐標計算距離的。

傳統的計算河流長度的方法是人工測量或用地形圖比例尺在圖面勾劃得出結果，這兩種方法的弊端在于費時費力，尤其在地形圖上勾劃，受地形圖時相的限制，難以準確勾劃出同時相河流的確切走向。利用遙感影像結合地理信息系統進行河流長度計算，能夠比較準確的反映河流的走向，提高計算的準確度。提高計算準確度的另一因素是遙感影像必須糾正、配準精確，再用GPS點進行參考修正。計算的長度為水平距離，即地面兩點間的連線投影在水平面上的長度。

3 結語

該研究利用較新時相的TM遙感影像，對豐寧境內灤河水體信息的提取屬于專題信息提取，主要提取水體的輪廓和面積，以確定研究區的面積和長度。通過遙感影像計算提取的豐寧境內灤河水域面積及河流長度數據結果，是遙感影像衛星拍攝時期（2013年8月）的豐寧境內灤河水域的同時項數據。影像中水體的提取主要依據是水體的光譜特性，水體的光譜特性主要取決于水體本身的物質組成，同時又受到各種水態的影響。為從遙感影像中準確提取水體，采取目視解譯、對重要水域用GPS定位以及用樣本特征進行比對等綜合方法，從而校正影像中對水體的誤提取，保證提取水體的準確性。

該研究具有時效性、動態性、客觀性和實用性，感測范圍大、信息量大，且對被調查對象不產生破壞，花費人力和物力較少，適用于大范圍的資源調查與研究。存在的問題是受氣溫、降水、季節（汛期、凌期、結冰期）、人為的修筑堤壩和引水灌溉等多方面因素對研究結果造成一定影響。

參考文獻

[1]劉建波，戴昌達.TM影像在大型水庫庫情監測管理中的應用[J].環境遙感，1996，1（1）：54-58.

[2]王國興，李士鴻.應用遙感資料獲取庫區水下地形的方法研究[J].海河大學學報，1998，26（6）：91-94.